Solvation Structure Regulation for Highly Reversible Aqueous Al Metal Batteries

化学 水溶液 溶剂化 电解质 钝化 电化学 无机化学 金属 三氟甲磺酸 腐蚀 化学工程 分子 电极 物理化学 有机化学 图层(电子) 催化作用 工程类
作者
Zhongchen Zhao,Zonghan Zhang,Xu Tian,Wenbin Wang,Baofeng Wang,Xuebin Yu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (3): 2257-2266 被引量:58
标识
DOI:10.1021/jacs.3c13003
摘要

Metallic Al has been deemed an ideal electrode material for aqueous batteries by virtue of its abundance and high theoretical capacity (8056 mAh cm–3). However, the development of aqueous Al metal batteries has been hindered by several side reactions, including water decomposition, Al corrosion, and passivation, which arise from the solvation reaction of Al and H2O in conventional aqueous electrolytes. In this work, we report that water activity in electrolyte can be suppressed by optimizing the Al3+ solvation structure through intercalation of polar pyridine-3-carboxylic acid in an aluminum trifluoromethanesulfonate aqueous environment. Furthermore, the pyridine-3-carboxylic acid molecules are inclined to alter the surface energy of Al, thus suppressing the random deposition of Al. As a result, the Al corrosion in the hybrid electrolyte is restrained, and the long-term electrochemical stability of the electrolyte is tremendously improved. These merits bring remarkable reversibility to aqueous Al batteries using Al-preintercalated MnO2 cathodes, delivering a retaining energy density of >250 Wh kg–1 at 0.2 A g–1 after 600 cycles.
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